Vlastnosti a možnosti pěnového polystyrenu

/autor: Pavel Zemene, Pavel Rydlo/

Historie EPS


Málokdo ví, že pěnový polystyren je tak trochu českého původu. Vynalezl jej v Německu Fritz Stastny, vývojový pracovník firmy BASF. Stejně jako spousta jiných výborných věcí (např. Viagra, dynamit, pneumatiky, airbag, fotografie, mikrovlnná trouba apod.) byl vynalezen náhodou. Píše se rok 1949. Pan Stastny v laboratoři zkoumá houževnaté plasty, připravuje a testuje stále nové a nové směsi. Unavený po celodenní práci večer odkládá jednu sadu ze směsí, které přechovával v plechových krabičkách od krémů na boty, do ještě nevychladlé trouby a odchází spát. Ráno mu div oči nevypadnou z důlků – horní víčko jedné plechové krabičky se nachází na patnáct centimetrů vysokém sloupu z jakési nové, lehké, tajemné pěnové hmoty. Pěnový polystyren byl na světě. Pouze zbývalo zjistit, k čemu by to bylo dobré, a můžeme slavit.
Teprve desítky let poté můžeme docenit tuto událost se všemi důsledky pro stavebnictví. Dosud neexistuje jiný dostupný materiál, který při tak nízké hmotnosti vykazuje stejně vysoké pevnosti.


Pěnový polystyren se ve světě používá v daleko širším měřítku než u nás. Ale i v České republice se velmi brzy dočkáme aplikací, ze kterých se nyní tají dech a které posunují naše představy o tomto mimořádném materiálu na zcela novou úroveň. Jako příklad můžeme uvést
technologie výstavby silničních a železničních zemních těles, po kterých se prohánějí např. vlaky TGV ve Francii. Vlastnosti nových výrobků posunují možnosti pěnového polystyrenu do úrovní, kde jiné materiály mohou jen tiše přihlížet. Toto se týká především mimořádných úspěchů v oblasti zlepšení tepelně- a zvukově-izolačních schopností.


Surovina pro výrobu EPS


Základní surovinou je zpěňovatelný polystyren ve formě perlí, obsahujících zpravidla 6–7 % pentanu jako nadouvadla. Tyto perle se vyrábějí suspenzní polymerací monomeru styrenu a jsou dodávány výrobcům pěnového polystyrenu v několika velikostních skupinách od 0,3 do 2,8 mm v závislosti na konkrétní aplikaci.


Styren i pentan jsou látky, které se běžně vyskytují v přírodě – styren lze nalézt i v mnoha potravinách včetně jahod, fazolí, ořechů, piva, vína a skořice. Pentan se v přírodě vytváří ve značném množství například v zažívacích systémech zvířat.


Největší množství pentanu v přírodě vzniká při rozkladu rostlinného materiálu působením mikroorganismů.


Obě tyto látky se pro průmyslové využití vyrábějí z ropy. Pěnový polystyren neobsahuje a nikdy neobsahoval látky poškozující ozónovou vrstvu Země, známé jako freony.


Výroba EPS


Výroba pěnového polystyrenu má tři fáze – předpěnění, meziuskladnění a výrobu bloků, desek, tvarovek, popřípadě pásů.


Zpěňovatelný polystyren se předpěňuje působením syté vodní páry. Během tohoto procesu zvětší perle dvacetkrát až padesátkrát svůj původní objem a uvnitř každé perle vznikne buněčná struktura.


Výsledná sypná hmotnost, daná teplotou páry a dobou jejího působení na perle, musí být stejná jako požadovaná objemová hmotnost vyráběného EPS. Ta se zpravidla pohybuje mezi 10 až 35 kg/m3 a má velký vliv na většinu vlastností konečného výrobku.


Během meziuskladnění v provzdušňovaných silech se v čerstvě vypěněných perlách během chlazení vytvoří podtlak, způsobující jejich vysokou citlivost na mechanické poškození. Podtlak se vyrovnává difuzí vzduchu do buněk perlí a ty získávají větší mechanickou pevnost a zlepšuje se jejich další zpracovatelnost. Perle se současně i suší. Vyzrálé perle se zpracovávají buď do bloků, které jsou pak řezány na požadovaný rozměr, nebo do podoby konečného výrobku. Dutina formy s parními tryskami ve stěnách se zcela vyplní předpěněnými perlami a vystaví se opět působení syté vodní páry. Perle změknou a působením pentanu a vzduchu v buňkách dále expandují. V uzavřeném prostoru formy se vzájemně svaří a vytvoří kompaktní blok. Po relativně krátké době na ochlazení jsou výrobky vyjmuty z formy a uskladněny před dalším zpracováním.


Bloky jsou dále řezány teplým nebo studeným drátem na desky. Okraje a povrch desek je možné pomocí speciálních technologií profilovat. Při výrobě elastifikovaných desek pěnového polystyrenu izolujících kročejový zvuk jsou bloky stlačovány v mechanických
lisech přibližně na třetinu své výchozí tloušťky. Po uvolnění stlačení dosahují asi 4/5 svého původního rozměru. Uvedeným postupem dochází k narušení pevné buněčné struktury polystyrenu, a tím k výraznému zlepšení jeho akustických vlastností. Bloky jsou pak rozřezány na desky používané hlavně do plovoucích podlah pro snížení kročejového zvuku. EPS je možné vyrábět i jako nekonečný pás – předpěněné perle jsou zpěňovány na požadovanou tloušťku desek mezi dvojicí obíhajících nekonečných ocelových pásů. V ČR se ale tato technologie nevyskytuje.


Vysoká pevnost


Svojí pevností v tlaku, v tahu a ve smyku při minimální hmotnosti patří EPS k nejvýkonnějším materiálům. Pevnost EPS je využita mnoha způsoby:



  • Pevnost v tlaku – běžné desky vykazují pevnosti v rozmezí 70–200 kPa při 10% deformaci (tj. 7–20 tis. kg/m2) a je možno je navrhovat také pro vysoce zatížené konstrukce (terasy, průmyslové podlahy).
     
  • Pevnost v tahu – pevnosti v tahu, která je běžně přes 100 kPa, se využívá především u fasádních systémů. Díky takto vysokým hodnotám se nemusí používat zesílené speciální kotvení jako u některých jiných méně pevných materiálů.
     
  • Pevnost ve smyku – tato vlastnost nabývá na důležitosti především se vzrůstající tloušťkou izolace. U lepených izolačních desek tloušťky nad 100 mm, které nemají dobrou smykovou pevnost, po čase dochází k mírnému posunu omítkových vrstev směrem dolů, což má za následek vznik vln a nerovností na fasádě. Z pěnového polystyrenu je možné spolehlivě provádět izolace tloušťky přes 200 mm.

Minimální hmotnost


Objemová hmotnost polystyrenu v závislosti na jeho typu činí 15–35 kg/m3, což přináší řadu výhod jak pro konstrukci staveb, tak při manipulaci s materiálem:


• minimální zatížení nosné konstrukce u novostaveb,
• minimální přitížení konstrukcí u rekonstrukcí budov (např. řada střech se zatepluje pěnovým polystyrenem, protože stávající nosná konstrukce by větší zatížení neunesla),
• nízké náklady na transport od výrobce a následně na stavbě,
• efektivní, fyzicky nenáročná a příjemná aplikace.


Zvuková izolace


Pro konstrukce s vysokými požadavky na útlum zvuku byl vyvinut tzv. Elastifikovaný polystyren s velmi nízkou dynamickou tuhostí. Např. plastifikovaný polystyren, určený pro kročejovou izolaci podlah, dokáže v konstrukci těžké plovoucí podlahy zajistit snížení hladiny kročejového zvuku o vynikajících 30–35 dB.


Zdravotní nezávadnost


EPS je v současnosti jediným rozsáhle používaným tepelně-izolačním materiálem, na který nemusí být vydáván bezpečnostní list, neboť jeho výroba ani užití nejsou spojeny s žádnými zdravotními riziky. EPS splňuje nejpřísnější kritéria zdravotní nezávadnosti, což umožňuje jeho použití také v potravinářském průmyslu. Při práci s EPS není nutno používat speciální ochranné pomůcky.


Ekologická nezávadnost, jednoduchá recyklovatelnost


EPS je jedním z jednoduše recyklovatelných materiálů.


Příklady způsobů recyklace:



  • polystyrenbetony,
  • zahradní substráty,
  • tepelněizolační zásypy,
  • zpětná recyklace do výrobku,
  • termická recyklace.

Analýza životního cyklu (LCA), která zohledňuje veškeré energetické nároky na výrobu izolantu, prokázala, že pěnový polystyren je svojí spotřebou 540 MJ/m3 pro materiál pevnosti v tlaku min. 100 kPa produktem s nízkými nároky na primární energetické nároky ve výrobě. To je logicky zřejmé z konečné ceny výrobku, neboť veškeré energetické vstupy výroby musí konečný zákazník samozřejmě zaplatit.


Teplotní stabilita


Pěnový polystyren je určen pro trvalé aplikace s teplotami do 80 °C. Tato odolnost vyhovuje všem nárokům běžných stavebních konstrukcí (podlahy, fasády, střechy atd.). Pěnovému polystyrenu pro trvalé použití nevadí ani velmi nízké teploty. EPS v konstrukcích plní dlouhodobě a spolehlivě svou funkci.


Odolnost proti stárnutí
Padesát let mnohostranného a dlouhodobého používání pěnového polystyrenu prokázalo, že při správné aplikaci zůstávají jeho vlastnosti nezměněny.


EPS není dlouhodobě odolný proti UV záření. Protože se však nikdy nepoužívá bez krycích vrstev, je toto působení bezvýznamné.


Nasákavost


Pěnový polystyren není rozpustný ve vodě ani nenabobtnává a uzavřené buňky nepohlcují téměř žádnou vodu. To významně napomáhá k udržení tepelných a mechanických vlastností, které by byly ovlivněny vlhkostí.


Maximální objemová nasákavost u běžného polystyrenu je 4–5 %.


Přiměřená paropropustnost


Pěnový polystyren patří z hlediska propustnosti pro vodní páru mezi středně propustné materiály, což je zřejmé z následujících příkladů hodnot faktoru difuzního odporu µ:



  • běžné zdivo – µ= cca 10,
  • fasádní desky EPS F Fasádní – µ= cca 30,
  • měkké dřevo – µ= cca 150,
  • pěnové sklo – µ= cca 70 000.

Střední propustnost pro vodní páru je výhodná především pro nevětrané konstrukce (fasády, střechy), kde je izolace kryta materiálem s vyšším difuzním odporem. Pokud jsou v takovém souvrství použity izolační materiály s vysokou prodyšností, dochází v nich ke zvýšené kondenzaci (tyto materiály je účelné navrhovat především do větraných konstrukcí).


Tvarovatelnost


Pěnový polystyren vynikajícím materiálem co do jednoduchosti tvarování. Tvarovky, přířezy a obaly z pěnového polystyrenu se hojně používají v různých odvětvích průmyslu od stavebního či elektrotechnického až po potravinářský.


Biologické vlastnosti


Pěnový polystyren nevytváří živnou půdu pro mikroorganismy, nehnije, neplesniví ani netrouchniví, neškodí mu ani půdní bakterie. Jemná buněčná struktura ale nevytváří přirozenou zábranu proti hlodavcům a hmyzu, kteří nechráněný polystyren příležitostně poškozují, ačkoliv je pro ně nestravitelný. Vhodnou zábranu tvoří omítky a obvyklé zabudování polystyrenu mezi jiné stavební materiály.


Chemické vlastnosti


Pěnový polystyren lze kombinovat téměř se všemi běžnými stavebními materiály, jako je sádra, dřevo, cement, beton nebo asfalt. Výrobky z EPS nejsou odolné vůči organickým rozpouštědlům.


Poměr užitných vlastností a ceny


EPS i při vynikajících vlastnostech zůstává cenově výhodný. Je to způsobeno především nízkou energetickou náročností při výrobě a používáním moderních technologií. Cenově výhodnými zůstávají i systémy dodávané na zakázku.


Požární bezpečnost


V poslední době byla velká pozornost věnována otázce požární bezpečnosti konstrukcí s EPS. Oproti dříve dodávaným materiálům (stupeň hořlavosti C2 nebo C3) se dnes ve stavebnictví používají pouze samozhášivé materiály se stupněm hořlavosti C1. EPS stejně jako řada vynikajících materiálů organického původu (např. dřevo nebo asfalt) neodolává dlouhodobému působení ohně. Proto je tento materiál vždy zabudovávándo konstrukce pod ochrannou vrstvu (omítky, sádrokarton). Celková požární odolnost konstrukce je tak vždy stanovována na celé konstrukci včetně všech krycích vrstev a povrchových úprav.


Tyto požadavky jsou zakotveny také v nové evropské požární normě ČSN EN 13 501-1, Klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb – Část 1: Klasifikace podle výsledků zkoušek reakce na oheň. Moderní skladby konstrukcí s EPS umožňují použití také v požárně exponovaných místech (např. v požárně nebezpečných prostorech).


Certifikované systémy pro střechy i fasády splňují náročné protipožární požadavky pro různé typy budov.


Tabulka: Doporučené použití desek ve stavebních konstrukcích


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 


Tento článek byl prezentován na konferenci „Regenerace panelových budov 2005,“ pořádané firmou Stavokonzult.